電源設(shè)計(jì)說明：您的第一個升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器對設(shè)計(jì)人員來說是有用的設(shè)備，因?yàn)樗鼈兘鉀Q了低、中和高電壓下的許多電源問題。如果需要達(dá)到某個電壓，該電壓可能高于可用電壓，升壓轉(zhuǎn)換器將解決該問題。升壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器無非是直流 (DC) 到直流 (DC) 轉(zhuǎn)換器，它增加輸入電壓以在輸出負(fù)載上獲得更高的電壓。顯然，要付出的代價是可用電流的減少，因?yàn)楣β?P = V * I 不能改變。

升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

升壓轉(zhuǎn)換器是一類開關(guān)電源，它包含兩個有源半導(dǎo)體元件（一個二極管和一個晶體管或 MOSFET）和一些儲能元件，如電容器和電感器（參見圖 1 中的原理圖）。為了降低電壓紋波，可以在轉(zhuǎn)換器的輸出端添加由電容器組成的濾波器。電壓增益取決于占空比、電感值、輸入電壓、開關(guān)周期和輸出電流。在系統(tǒng)中，開關(guān)元件有兩種不同的邏輯狀態(tài)：

• 在ON狀態(tài)下，MOSFET關(guān)閉，電感上的電流增加；
• 在關(guān)斷狀態(tài)下，MOSFET 開路，電感電流流過二極管、電容器和負(fù)載。

如果開關(guān)元件工作非常快，電感器不會完全放電，即使MOSFET開路，也會始終存在高于輸入電壓的電壓。在關(guān)斷期間，阻塞二極管可防止電容器通過 MOSFET 放電。這整個過程必須非常迅速地發(fā)生。
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圖 1：升壓轉(zhuǎn)換器的基本圖

要設(shè)計(jì)的升壓模型

我們的DC/DC升壓器必須具備以下電氣特性：

• 輸入電壓：12 VDC；
• 輸出電壓：24 VDC；
• 功率：150 瓦；
• 開關(guān)頻率：30 kHz。

理論上，可以使用兩個串聯(lián)的 12 VDC 電池，但系統(tǒng)的尺寸、重量和成本會急劇增加。開關(guān)頻率超過人類聽覺閾值，避免產(chǎn)生任何嘯叫聲。使用的在線計(jì)算器能夠生成完整的摘要（見圖 2），其中顯示了電路的所有主要特性。

圖 2：在線計(jì)算器生成的有用摘要頁面

在線計(jì)算器

升壓電路的質(zhì)量取決于許多因素，首先是使用的 SiC MOSFET 和 SiC 肖特基二極管的類型。組件的大小調(diào)整非常復(fù)雜，必須包括許多靜態(tài)和動態(tài)行為。為了方便設(shè)計(jì)人員的工作，有許多在線工具和計(jì)算器可以幫助計(jì)算接線圖中要使用的元素。其中之一是由 Cree 的子公司 Wolfspeed 提供的強(qiáng)大的“SpeedFit 2.0 設(shè)計(jì)模擬器”。它把電源的設(shè)計(jì)分為幾個步驟：

• 轉(zhuǎn)換器類型的選擇（DC/DC、AC/DC、DC/AC）；
• 數(shù)據(jù)輸入（電壓、功率和開關(guān)頻率）和子類別的選擇（這個選擇也顯示了原理圖）；
• 選擇 SiC 器件（MOSFET、二極管和任何模塊）；
• 系統(tǒng)熱參數(shù)的選擇（有關(guān)散熱器的信息，例如絕緣、溫度、熱阻、時間常數(shù)、環(huán)境溫度和任何其他熱源）；
• 執(zhí)行仿真，其中顯示了所用組件的值以及電壓和電流的曲線圖，如圖3所示；
• 制作最終總結(jié)，其中突出顯示了電路的所有細(xì)節(jié)，包括電壓、功率和電流數(shù)據(jù)、使用的半導(dǎo)體器件、運(yùn)行損耗和一些熱數(shù)據(jù)。

該計(jì)算器還包括一個指南，詳細(xì)描述了要遵循的所有操作。
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圖 3：在線計(jì)算器允許非常簡單快速地配置轉(zhuǎn)換器

項(xiàng)目方案

在Web 計(jì)算器中輸入所有信息后，系統(tǒng)立即提供結(jié)果和要使用的組件的值，如圖4所示。LTspice 仿真軟件也復(fù)制了相同的接線圖，用于執(zhí)行不同的靜態(tài)和動態(tài)仿真。請記住，使用 LTspice（或其他模擬器）進(jìn)行復(fù)雜的模擬并且存在電感器和外部組件的速度非常慢，可能需要幾個小時才能獲得最終結(jié)果。使用的電氣元件如下：

• V1：12V電池；
• V2：0-15V（零峰值）方波發(fā)生器，頻率為30 kHz，占空比為50%。MOSFET 數(shù)據(jù)表將 15 V 的電壓指定為推薦的柵極電壓；
• R1：負(fù)載；
• R2：電阻為2.5歐姆；
• L1：0.5mH的電感；
• C1：200uF電解電容；
• U1：C3M0060065D 碳化硅MOSFET；
• U2：肖特基二極管 C3D16060D（圖中使用了另一個性能更好的型號 E4D20120G）。

該站點(diǎn)為用戶提供了 MOSFET 和肖特基二極管的 SPICE 模型，準(zhǔn)備好與他們最喜歡的電子仿真程序合并和使用。引腳“Tc”和“Tj”分別保留用于設(shè)置元件容器溫度和結(jié)溫。這將在即將發(fā)布的教程中介紹。
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圖 4：Boost 轉(zhuǎn)換器的接線圖，由 Speedfit 計(jì)算器提出并用 LTspice 繪制

模擬輸出電壓

第一個有趣的模擬涉及驗(yàn)證 24 V 的輸出電壓，該電壓為標(biāo)稱電壓，因?yàn)樗鼘?shí)際上會略低。在負(fù)載 R1 和電解電容器 C1 的末端進(jìn)行的仿真大約需要四分鐘（SPICE 模型非常復(fù)雜）。相對電壓瞬態(tài)圖完整地顯示在圖 5 中。真正的瞬態(tài)在大約 7 毫秒內(nèi)結(jié)束。之后，電源將完全運(yùn)行并正常工作。如您所見，該圖還顯示了在線模擬器的響應(yīng)曲線，與 LTspice 的結(jié)果完美對應(yīng)。
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圖 5：Boost 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓幾乎是輸入電壓的兩倍

開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是由于電子元件內(nèi)部出現(xiàn)的快速開關(guān)信號，它們會產(chǎn)生噪聲和干擾。添加到輸出的適當(dāng)過濾器可消除或減輕此問題。從圖 6 中的頻譜圖可以看出，輸出信號顯示了以下諧波，但大多數(shù)負(fù)載都可以容忍這些諧波：

• 30 kHz (-20 dB)；
• 90 kHz (-37 dB)；
• 150 kHz (-45 dB)；
• 210 kHz (-51 dB)；
• 270 kHz (-55 dB)；
• 330 kHz (-61 dB)；
• 390 kHz (-64 dB)；
• 等等。

這些是具有非常低實(shí)體的諧波，在線性范圍內(nèi)根本無法察覺。您只會看到 30 kHz (94 mVRMS)、90 kHz (12 mVRMS) 和 150 kHz (5 mVRMS) 的諧波。

圖 6：由于有源元件的切換而導(dǎo)致的輸出信號諧波

效率

開關(guān)轉(zhuǎn)換器電路最重要的數(shù)據(jù)之一無疑是效率。更高的效率意味著更多地使用可用能源和更少的損失，從而降低成本并保持環(huán)境清潔。計(jì)算電路效率的公式非常簡單：

尤其是關(guān)于我們的電路：

模擬返回的效率值為 87.05%，與在線計(jì)算器上預(yù)期和顯示的 88.81% 差別不大。12 ms 瞬態(tài)下的效率圖如圖 7所示。

圖 7：電路效率的瞬態(tài)圖

結(jié)論

升壓轉(zhuǎn)換電路的基本版本非常簡單，也可以使用任何類型的分立元件執(zhí)行。為了提高其性能，選擇高質(zhì)量組件始終很重要，這些組件具有邏輯狀態(tài)的高切換速度、管理高電流的高能力和低 Rds (on) 以最小化功率和散熱的特點(diǎn)。該電路以其最小和通用版本表示。它可以根據(jù)您的需要進(jìn)行修改。


審核編輯：劉清

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